计算机网络（第2版）数据通信基础与物理层

ComputerNetwork计算机网络

数据通信基础与物理层2信息、数据与信号的概念数据传输类型与通信方式多路复用技术2.1数据通信的基本概念2.2数据通信主要性能指标2.3数据编码与调制技术本章主要内容模拟数据调制技术：调幅、调频、调相、正交数字数据编码技术：基带、频带信号带宽、吞吐量、时延、误码率和误比特率香农定理、奈奎斯特定理2.4传输介质2.5物理层概述有线介质：双绞线、同轴电缆、光纤无线介质：电磁波、红外、卫星、激光物理层基本概念：定义、基本服务、接口标准典型物理层接口标准2.1数据通信的基本概念3信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术信息：对客观事物的描述信息的载体：文字、语音、图形或图像等通信目的：交换信息数据数据：通常指计算机处理的数字化的信息数字化过程：一般指将信息用二进制代码表示，即数据编码。数据分类：按编码方式不同，分为以下两类模拟数据：连续值，如声音数据数字数据：离散值，如脉冲数据v(t)t模拟信号v(t)t数字信号信息信号：传输中的数据，通常指电信号信号分类：模拟信号和数字信号模拟信号：取值连续，在一定时间范围内可有无限多个不同的取值数字信号：取值离散、不连续，在一定时间范围内只有有限个不同的取值信号计算机中不必刻意区分信息与数据的概念注意2.1数据通信的基本概念4信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术通信系统模型通信系统：通信中所需要的通信设备、传输介质及采用的技术的总和。通信系统组成：信源、发送变换器、信道、噪声源、接收变换器和信宿。信息通过发送变换器（如网卡）变换为适合信道传输的信号进入信道。信号通过接收变换器变换为适合信宿接收的形式（数据）进入信宿。节点A节点B信源产生信息数据发送变换器信号信道信号接收变换器数据信宿噪声源接收信息数据以信号形式在信道中传输2.1数据通信的基本概念5信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术数据通信涉及的几个概念码元、码元速率与信息速率码元：一个信号所占时间宽度。时间宽度称为码元长度或码元周期（T）。码元速率：每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud），通常用RB表示R𝑩=1/T注意：码元只与码元周期（T）有关，与一个信号码元中信号状态个数无关。

码元速率只计算一秒钟内数据信号的码元个数。TT码元码元t状态个数N=2TTT码元码元码元t状态个数N=4T码元2.1数据通信的基本概念6信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术数据通信涉及的几个概念码元、码元速率与信息速率信息速率（比特率）：每秒钟传输的比特数，单位是比特/秒（bit/s，b/s，bps），

通常用符号R𝒃表示。

若1个码元的状态个数为N，则比特数为log2N，则信息速率

Rb=RB

·log2N比特率单位：bps、kbps、Mbps、Gbps、Tbps等，千进制。若不特殊指明，数据传输率（数据速率）一般指比特率。【例2-1】若码元周期T=833×10−𝟔s，每个码元的状态个数为16，求码元速率R𝑩和信息速率R𝒃。【解】

R𝑩=1/T=1/(833×10-6)≈1200（Baud）

Rb=RB·

log2N=1200×log216=

1200×4=4800（bit/s）2.1数据通信的基本概念7数据传输类型三种数据传输类型：模拟通信、数字通信和数据通信信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术模拟数据产生数据数字数据信源模拟信号数字信号信源产生数据类型模拟信号数字信号模拟通信数字通信数据通信信源传输信号类型数据传输类型如：声音如：计算机中存储的数据变换变换2.1数据通信的基本概念8数据通信方式单工通信与双工通信（半双工通信、全双工通信）串行通信与并行通信：信道个数不同串行通信：在一条串行信道上逐位传输。并行通信：在多条并行信道上多位同时传输。异步传输与同步传输：同步技术不同异步传输：字符同步，触发时钟，含起停位。同步传输：位同步，公共时钟，传输单位帧。基带传输与频带传输：数字信号是否调制基带传输：不调制直接在信道中传输。频带传输：调制后在信道中传输。单工：一个方向传输双工：两个方向传输半双工：不同时传输全双工：同时传输b0b1b2b3b4b5b6b7串行通信b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信startb7~b0异步传输stop触发接收端时钟010111……11110同步传输同步字符

同步字符

信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术2.1数据通信的基本概念9多路复用技术分类多路复用技术：在单一线路上同时传输多路信号技术。多路复用的目的：最大限度地利用信道资源。信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术频分多路复用（FDM）：将线路的可用频带划分成若干条频率上互不重叠的较窄的子频带，每一条子频带传输一路信号，各路信号可以互不干扰地同时传输。为减少各路信号相互干扰，子频带间通常留有一定的空闲频带，称为保护频带。波分多路复用（WDM）：将多个单一波长的光信号复用在一起，每种光信号只有有光和无光（信号强度为0）两种强度。时分多路复用（TDM）：将一条线路的传输时间分成若干个时隙（时间片），按一定的次序轮流给各路信号源使用，即每路信号占用一个时隙（时间片）。码分多路复用（CDM）：各传输用户分配相互独立的码片，使各用户可以互不干扰同时传输。通常采用扩频技术：利用与待传输数据（信息）无关的码对被传输信号进行频谱扩展，使传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。2.1数据通信的基本概念10频分多路复用技术【例】若3路原始模拟信号带宽均为3MHz，现采用频分多路复用调制3路信号，形成一个带宽为11MHz的频分多路复用信号，画出波形图。频率幅度3MHz信号10原始模拟信号将原始模拟信号调制到不同频段将位于不同频段模拟信号复合频率幅度3MHz信号20频率幅度3MHz信号30频率幅度3MHz信号10频率幅度4MHz信号20频率幅度8MHz信号307MHz11MHz频率MHz幅度8信号30113信号14信号27信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术2.1数据通信的基本概念11波分多路复用（WDM）本质上也属于频分多路复用技术。由于光载波的频率过高，人们习惯用波长而不是频率来表示不同频率的光载波，因此，将光载波在光纤上的复用称为波分多路复用。使用不同波长的光载波，可以在一根光纤上传输多路光信号。波长λ信号强度光纤1光谱波长λ信号强度光纤2光谱波长λ信号强度共享光纤光谱信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术波分多路复用技术2.1数据通信的基本概念12时分多路复用可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。同步时分多路复用：将传输信号的时间分成多个周期，其中每个周期根据传送信号路数分成若干个时隙，每路信号被固定分配一个时隙。AAABBBCCDD1主机A2主机B3主机C4主机DAAABBBCCDD1主机A2主机B3主机C4主机D复用器解复器ABCDABDBCA源端接收端时间片浪费的时隙信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术同步时分多路复用技术2.1数据通信的基本概念13异步时分多路复用：又称统计时分多路复用。仅在某路信号有数据要发送时，才为其分配时隙，即动态为各路信号按需分配时隙，因此，不会造成时隙资源的浪费，提高了信道的利用率。AAABBBCCDD1主机A2主机B3主机C4主机DAAABBBCCDD1主机A2主机B3主机C4主机D复用器解复器源端接收端时间片1A2B3C4D1A2B4D2B3C1A信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术异步时分多路复用技术2.1数据通信的基本概念14在CDMA中，一个比特时间被划分为m个码片（小短间隔），通常m=64或128每个用户分配一个唯一的m比特码片序列，数据的每个比特均扩展成m位码片（扩频技术）比特“1”：发送m位码片序列比特“0”：发送该m位码片的反码【例】若某用户的码片序列是10110101（假设m=8）

则

当发送比特“1”时，则发送码片序列：

10110101

当发送比特“0”时，则发送反码片序列：

01001010通常，码片中的1写为+1，0写为

-1。例如：10110101+1-1+1+1-1+1-1+1信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术码分多路复用技术码分多址（CDMA）是码分多路复用（CDM）一种接入方式。2.1数据通信的基本概念15为了保证接收方能够正确解码，必须为不同用户分配唯一的码片序列，且各用户的码片序列相互之间必须正交。码片正交：不同用户码片的规格化内积（点积）为0。【例】若分配给用户A和B的码片均为4位（m=4），其码片如下：

码

片：CA1=(-1,-1,-1,-1)，CB1=(+1,-1,+1,-1)

反码片：CA0=(+1,+1,+1,+1)，CB0=(-1,+1,-1,+1)

，问：用户A与用户B的码片是否正交？【解】用户A和用户B的规格化内积运算如下：

CA1•CB1

=

(-1,-1,-1,-1)•

(+1,-1,+1,-1)/4=0

CA1•CB0

=

(-1,-1,-1,-1)•

(-1,+1,

-1,+1)

/4=0CA0•CB1

=

(+1,+1,+1,+1)•

(+1,-1,+1,-1)

/4=0CA0•CB0

=

(+1,+1,+1,+1)•

(-1,+1,

-1,+1)

/4=0

因此，用户A和用户B的码片序列正交。信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术码分多路复用技术若用户A、B码片用CA和CB表示，则其规格化内积计算公式为：2.1数据通信的基本概念16【例】设S和T两站点8位码片正交。两站均发送比特110，画出发送、接收码片。

S站：码片

(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)T站：码片(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)

反码片(+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1)

反码片(+1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1)-1-1-1ttm个码片数据码元比特S站的码片序列S110+1+1-1+1+1-1-1-1+1+1-1+1+1-1-1-1+1+1-1+1+1S站发送的信号Sx-1-1-1t+1+1-1+1+1-1-1-1+1+1-1+1+1+1+1+1-1-1+1-1-1T站发送的信号Tx-1-1t+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1+1+1+1-1+1+1-1+1-1-1-1+1总发送信号Sx+Tx-2-2t+2+2-2-2+2+2+2+2-2-2规格化内积

S•(Sx+Tx)tS与T正交：S•Tx+1+1t-1-1+1-1+1-1+1+1-1-1+1-1+1-1-1-1+1+1-1+1-1+1发送端S的接收端信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术码分多路复用技术1100002.1数据通信的基本概念17【例】设S和T两站点8位码片正交。两站均发送比特110，画出发送、接收码片。S站：码片

(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)T站：码片(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)

反码片(+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1)

反码片(+1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1)信息、数据与信号

数据传输类型与通信方式多路复用技术码分多路复用技术【解】（1）发送端：S站、T站均发送数据110，则S、T站发送的比特序列如下：S站：(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)(+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1)T站：(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)

(+1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1)总信号：(-2,-2,0,0,+2,

0,+2,

0)(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0)(+2,+2,0,

0,-2,

0,-2,

0)（2）接收端：接收S站、T站数据，则分别用S站、T站码片与收到的总信号做内积运算(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)S站码片(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0)(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0)(+2,+2,0,0,-2,0,-2,

0)总信号(2,2,0,0,2,0,2,0)(2,2,0,0,2,0,2,0)(-2,-2,0,0,-2,0,-2,

0)=(8,8,-8)/8=(1,1,0)(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)(-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)T站码片(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0)(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0)(+2,+2,0,0,-2,

0,-2,

0)总信号(2,2,0,0,2,0,2,0)(2,2,0,0,2,0,2,0)(-2,-2,0,0,-2,0,-2,0)=(8,8,-8)/8=(1,1,0)内积运算内积运算叠加运算2.2数据通信的主要性能指标18有效性：一般指信息的传输速度。有效性指标：衡量系统传输能力的主要指标，主要包括传输速率、带宽、吞吐量、时延等指标。传输速率：数据在信道中的传输速度，分为码元速率和信息速率。带宽：信号的频带宽度，单位Hz。计算机网络中通常用带宽描述网络的传输容量（最大传输速率）。如：以太网带宽有10Mbps、100Mbps、1000Mbps和10Gbps等。吞吐量：单位时间内传输的数据量的实际测量值。由于带宽代表数字信号的最大传输速率，因此，带宽有时也称为吞吐量。有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标传输速率、带宽、吞吐量2.2数据通信的主要性能指标19时延：数据从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延组成：发送时延、传播时延、排队时延、处理时延。发送时延：节点将数据发送到传输介质中所需时间。计算公式：传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需时间。计算公式：

注意：传播时延与传输速率无关，与介质长度、信号在介质中传播速度有关。排队时延：数据在所经过的网络节点的缓存队列中排队所经历的时间。排队时延主要取决于网络当时的通信量。极端情况下，当网络发生拥塞导致数据分组丢失时，该节点的排队时延视为无穷大。在有优先级算法网络中，排队时延还取决于数据优先级和队列调度算法。处理时延：数据在交换节点为存储转发而进行必要处理所花费的时间。如提取数据分组的首部进行差错校验、为数据分组寻址和选路径等处理时间。有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标时延2.2数据通信的主要性能指标20总时延＝发送时延

+传播时延

+排队时延

+

处理时延网络传输中：发送、传播、排队和处理时延产生位置如下图所示：

发送时延和传播时延与带宽和传输距离相关，具有确定性。排队时延和处理时延与网络状态相关，具有不确定性。这里产生排队时延和处理时延这里产生传播时延这里产生发送时延数据链路节点A节点B发送器数据1011…1010队列：存储转发

有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标时延计算2.2数据通信的主要性能指标21【例2-1】设终端A和终端B相隔3个节点、4条链路。已知每条链路长度为Lm、带宽为Xbps、传播速率为2/3倍的光速(C)。采用电路交换，忽略连接建立和释放、存储转发等时间，求从终端A开始发送到终端B接收完M字节长度数据所需时间。【解】设

t为总传输时延，t1为终端A产生的发送时延，t2为每段链路的传播时延

则：t=t1+4×t2

计算：t1=M×8/X//

1字节(Byte)=8位(bit)t2=L/V=L/(2/3×C)=1.5×L/C//C=3*108为光速

因此

t=M×8/X+4×1.5×L/C=M×8/X+6×L/C(s)终端A终端Bt1t2t2t2t2LLLL=L/V=M×8/X有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标时延计算举例2.2数据通信的主要性能指标22对于一个信道带宽为WHz的理想信道，最大码元速率为

RBmax

=

2×W

（Band）若一个码元信号包含M个状态数，则WHz信道的最大数据率（信道容量）为C

=2×

W

×log2M（bps）【例2-2】对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同状态表示数据。按照奈奎斯特定理，求信道的最大传输速率。【解】由题意知：带宽W=4000Hz，采用16种不同状态表示数据，则M=16

根据奈奎斯特定理，最大数据率C为：

C=2×W×log2M=2×4000×log216=8000×4=32000(bps)=32(kbps)

因此，信道的最大数据率为32kbps。有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标奈氏定理2.2数据通信的主要性能指标23对有随机热噪声的信道，若信道带宽为WHz，信噪比为S/N，其最大数据传输率（信道容量）为

C=W

×log2(1+S/N)信噪比(S/N)通常用分贝(dB)衡量，信噪比公式为

S/N(dB)=10×log10(S/N)香农公式表明：信道的带宽或信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。【例2-3】假设信道带宽W为3000Hz，信噪比为30dB，求信道的最大数据率。【解】由题意知：S/N=30dB，则由信噪比公式30dB=10×

log10(S/N)

计算得S/N=1000

根据香农定理，最大数据率C为：

C

=

W×log2(1+S/N)

=

3000×log2(1+1000)

≈

3000×9.97

≈

30000(bps)=30(kbps)

因此，信道的最大数据率为30kbps。有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标香农定理误码率：一定时间内，数据传输过程中出现差错的码元数占传输总码元数的比率，记为pe。误比特率：又称误信息率，一定时间内，数据传输过程中出现差错的比特数占传输总比特数的比率，记为pb。如果每个码元仅包含1个比特信息，则误码率等于误比特率。2.2数据通信的主要性能指标24可靠性：衡量消息传输是否出现差错。可靠性指标：主要用差错率表示，差错率一般用误码率和误比特率表示。差错码元数总码元数误码率差错比特数总比特数误比特率有效性指标奈奎斯特定理香农定理可靠性指标可靠性2.3数字编码与调制技术25模拟数据调制技术数字数据编码技术模拟数据调制技术ASK（调幅）：用两种不同幅度的载波信号表示二进制数0和1。通常一种载波幅度为0，另一种载波幅度为正常值。ASK调制效率较低，语音数据传输速率只能达到1.2kbps。FSK（调频）：用两种不同频率的信号表示二进制数0和1。FSK数据传输速率也约为1.2kbps。PSK（调相）：采用固定的不同起始相位表示二进制数0和1。DPSK（差分PSK）：采用不固定的不同起始相位表示二进制数0和1。如：0：信号相位与前一位信号相位相同1：信号相位与前一位信号相位相反QAM（正交调幅）：幅度ASK、相位PSK联合调制技术，可双倍扩展有效带宽。若码元速率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输率R为：

R=Blog2(m×n)(bps)01101001数字数据ASK模拟信号数字信号FSK模拟信号PSK模拟信号DPSK模拟信号2.3数字编码与调制技术26极性：表示比特0和1的电平极性（正、负）。单极性：零电平→0，正电平→1双极性：负电平→0

，正电平→1

归零：一个比特时间内，电平是否归零。不归零编码(NRZ)：电平保持恒定不变。归零编码(RZ)：电平在后半部分归于零。H0L11010011t位值H0LtH0LtH0Lt单极性NRZ双极性NRZ单极性RZ

双极性RZ模拟数据调制技术数字数据编码技术数字信号-数字信号编码注意数字信号编码有极性与归零两个特性。RZ编码解决了NRZ编码接收双方无法保持同步的问题。2.3数字编码与调制技术27曼彻斯特编码：仅中间有跳变。一般规定：

1：高电平→低电平

0：低电平→高电平差分曼彻斯特编码：又称相对码比特0或1的确定：起始时刻是否存在跳变。一般规定：0：起始有跳变

1：起始无跳变H0L11010011t位值曼彻斯特编码H0L11010011t位值差分曼彻斯特编码模拟数据调制技术数字数据编码技术曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码每个比特中间都有跳变。信号中间跳变的作用

时钟信号：控制收发双方同步，自带同步时钟。区分数据和控制位：数据位有跳变，控制位无跳变。数字信号-数字信号编码2.3数字编码与调制技术28采样：将时间上连续的模拟数据变为时间上离散的采样数据。在每隔一定时间长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为该段时间模拟数据的代表值。根据采样时间间隔是否相同，分为均匀采样和非均匀采样。采样要求遵循奈奎斯特采样定理，保证不失真。即采样频率

f应满足：f

≥2W

或

f=1/T

≥2×fmax量化：幅值上连续的采样数值变为幅值上离散的数值（取值个数有限）。将采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值，并取整数。编码：将量化后的数值（数字数据）转换为位数固定的二进制编码。

如果有k个量化级，则二进制编码的位数为log2k。

模拟数据调制技术数字数据编码技术模拟信号-数字信号编码脉冲编码调制（PCM），PCM应用是语音数字化，传输速率高、失真小。包括采样、量化与编码3部分。2.3数字编码与调制技术29【例2-3】对右下图所示模拟信号均匀采样、量化等级为128，试对其进行PCM编码。【解】采样、量化、编码（1）采样：确定采样点，根据奈奎斯特采样定理划分采样区间，获取采样数据。（2）量化：将0~6V区间均匀划分成128个区间。

量化值=采样值/6*128取整

如：4.26→4.26/6*128=90.88→

91（3）编码：将量化值转为7位二进制码。

log2128=7

如：91→

1011011Vt4.06.02.05.615.552.183.784.342.721.524.26模拟数据调制技术数字数据编码技术D1D2D3D4D5D6D7D8模拟信号-数字信号编码举例911184781120935832101101111101100101111101000111110001011101011101001000002.3数字编码与调制技术30采样点采样时间采样点幅值量化值编码D10.0004.26911011011D20.1255.551181110110D30.250240.3753.78811010001D50.5005.611201111000D60.6254.34931011101D70.7502.73580111010D80.8751.52320100000模拟数据调制技术数字数据编码技术模拟信号-数字信号编码举例2.4传输介质31有线传输介质无线传输介质双绞线：封装在一个绝缘套管中由多对两两绞合在一起的铜线组成的线缆。在每根铜导线的绝缘层上通常涂有不同颜色，以示区分。双绞线扭合得越密，其抗干扰能力就越强，传输性能也越高。双绞线按照是否带有屏蔽层，分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）屏蔽双绞线STP：由4对铜线组成，每对铜线包裹在绝缘层里，4对铜线又包在另外一层金属箔片里，最外面包有一层塑料外套。非屏蔽双绞线UTP：与STP不同之处，不存在屏蔽层。屏蔽层外套双绞铜线绝缘层外套绝缘层双绞铜线屏蔽双绞线非屏蔽双绞线RJ-45连接器（水晶头）双绞线2.4传输介质32双绞线按性能不同可分为1类线~5类线、超5类线和6类线等。类别越高，传输性能越好，价格也越贵。1类线：用于电话通信，一般不适合传输数据。2类线：可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。3类线：用于以太网，最大数据率为10Mbps。4类线：用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。5类线：用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。6类线：用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。有线传输介质无线传输介质双绞线分类2.4传输介质33同轴电缆：由中心导体、绝缘层、外导体屏蔽层和绝缘保护套组成。理论上，环绕着中心导体同轴放置外导体屏蔽层的方法可以将所有电磁场保持在两个导体之间，通过这种同轴结构，可以有效地降低外部电磁干扰对同轴电缆中所传输信号的影响。与双绞线相比，同轴电缆价格较高，其优点是传输距离长，且抗干扰能力强。绝缘保护套外导体屏蔽层绝缘层中心导体同轴电缆结构同轴电缆结构将电磁场保持在两个导体之间有线传输介质无线传输介质同轴电缆2.4传输介质34光纤：光导纤维。利用光的全反射原理，在玻璃或塑料制成的非常细的纤维中传输光信号的传输介质。光缆：光纤通常被几层保护结构所包覆，包覆后的缆线称为光缆。目的是增强光纤强度、便于铺设。光纤构成：由纤芯和包层构成。纤芯非常细，其直径只有8~200μm。传播过程：光信号在包层表面不断地形成全反射，沿着纤芯进行传播，不会通过包层折射出去。光信号在光纤中的折射光信号在光纤中的传播过程包层光信号纤芯反射光全反射θ3折射光θ1θ1θ3θ2包层光信号纤芯光纤光纤接口光缆有线传输介质无线传输介质光纤2.4传输介质35多模光纤：一条光纤中可以同时有多条不同角度入射的光信号在传输。单模光纤：若光纤直径小到只有光的波长，则只有轴向角度的光信号能进入光纤，且使光信号一直向前传播，而不会产生多次反射。多模光纤单模光纤单束光线沿直线传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层折射率低纤芯折射率高光信号光检波器激光器光检波器有线传输介质无线传输介质多模光纤与单模光纤2.4传输介质36带宽高，通信容量大。信号衰减小，传输距离远。抗电磁干扰，传输可靠性高。无信号泄露，难于窃听，安全性好。尺寸小重量轻，易于运输和铺设。抗腐蚀能力强，使用寿命长。有线传输介质无线传输介质光纤的优点2.4传输介质37无线传输介质：非导向传输介质。利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息传输。无线电波使用的无线电频率范围一般在10kHz~1GHz。无线电波的传播特性（如传播速度、传播距离、穿透性、衰减等）与频率有关。有线传输介质无线传输介质无线传输介质2.4传输介质38101102103104105106107108109101010111012101310141015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFSHFf

(Hz)10710610510310210110010-210-310-410-510-6λ10410-1可见光无线电微波f

(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024红外线紫外线X射线γ射线无线电无线电和电视电子管集成电路蜂窝电话电源和电话旋转发电机乐器话筒微波雷达微波天线磁控管红外线激光导弹测距可见光光纤双绞线同轴电缆调幅广播调频广播和电视地面和卫星传输有线传输介质无线传输介质电磁波频谱2.4传输介质39无线电波通信：利用地面发射的无线电波通过视距、电离层反射、电离层与地面多次反射而到达接收端的一种无线通信方式。无线电波传播方式主要有3种地波传播：沿地表传播天波传播：地表与电离层反射传播直线传播：视距传播信号传播地球表面信号传播地球表面地球表面电离层信号传播地波传播（低于3MHz）直线传播（高于30MHz）天波传播（3~30MHz）有线传输介质无线传输介质无线电波通信2.4传输介质40微波通信主要有2种形式：地面微波接力通信和卫星通信地面微波接力通信：通过若干微波中继站，实现微波接力通信。原因：微波采用直线传播，地球表面是球面，如果两个微波站相距过远，地球本身就会阻挡传输路径。因此，需建立微波中继站以实现远距离通信。卫星通信：用卫星作为中继站转发微波信号的无线通信方式。卫星通信系统通常由卫星、地面站、用户端3部分组成。卫星通信的主要优点：通信范围大，卫星覆盖范围下的任意两点之间均可通信。可靠性高，不易受各种陆地灾害的影响。能够方便地实现广播和多址通信。有线传输介质无线传输介质微波通信地球表面中继站中继站终端站终端站微波接力通信示意图微波通信：通常采用2GHz~40GHz的频段，传播方式采用直线传播。微波的波长范围：1mm~1m，根据波长不同分为分米波、厘米波和毫米波。2.4传输介质41红外通信：利用红外技术实现两点之间的通信。红外通信系统可分为2个部分：红外发射单元和红外接收单元。发射单元：负责对源信号进行调制，然后以红外线方式发射出去。接收单元：通过光学装置和红外探测器进行红外信号的接收。红外通信的优缺点优点：性能价格比高，实现容易，抗电磁干扰。缺点：只能在直视范围内通信，无法穿透不透明障碍物。红外通信技术用途：室内的点对点通信、无线红外LAN通信和军用红外通信。有线传输介质无线传输介质红外通信自由空间的激光通信2.4传输介质42自由空间的激光通信：在直视范围内进行的点对点通信技术。由于激光的波束较窄（通常只有几厘米宽），因此通信时要求激光发送器和激光接收器精确对准，以确保发送的激光光束能够被接收器的感应设备接收到。自由空间的激光通信适合于户外使用，且能够传输较长的距离。自由空间的激光通信的主要优缺点优点：通信容量大，保密性好，结构轻便，设备成本低缺点：受大气和气候的影响较为严重，发送器和接收器的对准比较困难有线传输介质无线传输介质激光通信2.5物理层概述43物理层基本概念物理层接口标准物理层：在连接开放系统的传输介质上，为数据链路层提供一个透明的原始比特流传输的物理连接。并非仅指连接计算机的具体物理设备或负责信号传输的具体物理设备。物理层构造一个可以传输各种数据比特流的透明通信信道。ISO对OSI模型的物理层的定义：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除而提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。CCITT在X.25（公共分组交换网）建议书的定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。物理层的定义2.5物理层概述44物理层基本概念物理层接口标准传输介质数据链路层数据（帧）1001010001000111…比特流1001010001000111来自数据链路层物理层数据链路层数据（帧）1001010001000111…去往数据链路层物理层帧数据链路层数据链路层节点A节点B物理层的逻辑位置2.5物理层概述45建立、维持和释放物理连接，传输比特流，管理物理层物理层基本概念物理层接口标准物理拓扑：定义如何将物理设备连接成不同类型的网络传输介质与接口的物理特性：物理接口如何连接、接口形状等线路配置：如何使用线路，如专用或共享线路比特的表示方法：定义编码的类型，如何将0和1转换成相应信号数据速率：定义传输信道的数据速率位同步方式：协调双方收发数据传输方式：单工、半双工和全双工物理层提供的主要服务物理层解决的主要问题2.5物理层概述46机械特性：规定可插接连接器的形状和尺寸、连接器中引脚数量与排列情况、电缆最大或最小长度、固定和锁定装置等。电气特性：规定传输二进制比特流时线路上信号电平的高低、阻抗及阻抗匹配、最大传输速率及距离限制等问题。功能特性：规定物理接口上各条信号线的功能及含义。信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线4类。规程特性：定义信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和顺序。物理层基本概念物理层接口标准机械特性、电气特性、功能特性、规程特性物理层接口特性2.5物理层概述47计算机网络中常用的物理层标准广域网物理层标准：EIA-RS-232-C、EIA-449、CCITTV.24局域网物理层标准：IEEE802等目前，实际网络中应用比较广泛的物理层标准主要有：

EIA-RS-232

和IEEE802.3（以太网标准）物理层基本概念物理层接口标准物理层标准2.5物理层概述48IEEE802工作组主要定义局域网的数据链路层和物理层规范。IEEE802标准的物理层：实现了比特流的发送与接收。IEEE802标准包括：信号的特性、比特流的编码/解码方式、传输介质的类型、网络的拓扑结构以及传输速率等规范。目前应用最广泛的局域网是以太网。根据数据传输速率的不同，以太网可以分为传统以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000Mbps或1Gbps）和万兆以太网（10Gbps）。物理层基本概念物理层接口标准IEEE802标准2.5物理层概述49IEEE